Untersuchung über die Verteilung von Spurengasen in der freien Atmosphäre

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit behandelt die Ergebnisse von Messflügen zur Bestimmung der Konzentrationsverteilung von Spurengasen in der freien Atmosphäre. Auf Grund dieser Aufstiege war es erstmals möglich, den Gehalt der Atmosphäre an Schwefeldioxyd und Stickstoffdioxyd bis in Höhen von 6000 m zu erfassen. Die gewonnene mittelere Konzentrations-verteilung bietet die Basis zu Abschätzungen über den Haushalt und die mittlere Verweilzeit von SO₂ und NO₂ in der Troposphäre.

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Summary This paper deals with the results of aircraft ascents for the measurement of the vertical distribution of atmospheric trace gases in the free atmosphere. The aircraft ascents permitted for the first time to measure the SO₂- and NO₂-concentration up to 6000 m. On the basis of the average distribution assumptions on the tropospheric budget of SO₂ and NO₂ as well as on the average tropospheric residence time of these gases were made.

     

Meteorologische Probleme bei der Ausbreitung radioaktiven Aerosols

Zusammenfassung Der Transport radioaktiver Aerosol-Partikel durch die Atmosphäre wirft neue meteorologische Probleme auf. Eine kinematische Methode der Vorhersage von Trajektorien zeigt erhebliche Unterschiede gegenüber den Stromlinien. Die Ausbreitung von Partikelwolken ist eine Funktion der Vektorstreuung des Windfeldes und einem von der Zeit abhängigen Parameter. Der Massenaustausch zwischen der Troposphäre und der viel partikelreicheren Stratosphäre vollzieht sich vorwiegend in horizontaler Richtung im Niveau der Strahlströmungen. Einige Besonderheiten der Stratosphäre über dem tropischen Pazifik werden kurz beschrieben: die Aufspaltung der Tropopause über dem Äquator und die großen zeitlichen Änderungen der zonalen Windströmungen. Während die Gravitation und das Auswaschen durch Niederschläge vorwiegend gröbere Partikel (Durchmesser>2) zur Sedimentation bringen, fällt die Koagulation an Wolkenelementen hauptsächlich die kleinsten Partikel (<0.1 ) aus.

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Summary The transport of radioactive particulate matter by the atmosphere introduces new meteorological problems. A kinematical method of forecasting air trajectories demonstrates substantial differences compared with stream-lines. The spread of particle clouds can be derived from the standard vector deviation of winds and a time-dependent parameter. Between the troposphere and the stratosphere with its much higher concentration of particles, the mass exchange occurs mainly in a horizontal direction near the jet-stream level. Some pecularities of the stratosphere above the Tropical Pacific are shortly described: the splitting of the tropopause above the equator, and the large time-variations of the zonal currents. While particles with a diameter of at least 2 micron are mainly deposited by gravitation and rain scavenging, coagulation with cloud droplets prefers particles below 0.1 micron.

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Vortrag gehalten am 3. April 1959 auf der 7. Hauptversammlung der «Società Italiana di Geofisica e Meteorologia» (Genova: 3.–5. April 1959).     

Le correnti dell'alta troposfera e della stratosfera inferiore sulle regioni equatoriali

Riassunto Riferiti i risultati delle osservazioni dei Cirri, vengono illustrate le caratteristiche delle correnti dell'alta troposfera su Mogadiscio in base ai lanci di palloni piloti eseguiti durante l'Anno Polare 1932–33, ponendo in luce, specialmente per il periodo dal 24–10 al 5-12-1932, il comportamento dettagliato delle correnti orientali ed occidentali, indicando come le deviazioni verso N e verso S di queste (per deformazione deifronti di contatto e successivo abbassamento delle masse d'aria) siano fattori determinanti delle condizioni del tempo in grande nelle regioni tropicali in grado d'influenzare anche quello delle latitudini medie e di giustificare quindi le relative singolarità. Le poche osservazioni stratosferiche hanno accertato una corrente all'incirca di eguale intensità, ma contraria di quella di Krakatoa: però in stagione diversa da quella dell'eruzione e delle osservazioni raccolte a Batavia.

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Zusammenfassung Die Beobachtungen des Zirrenzuges in Mogadiscio während des Polarjahres 1932–33 werden zuerst zusammengefasst. Es folgt dann die Darstellung der Luftströmungen in der oberen Troposphäre auf Grund der Pilotballonvisierungen, woraus u.a. gezeigt wird, dass oft die Richtung des Zirrenzuges nicht mit derjenigen der herrschenden Luftströmungen zusammenfällt. Besonders durch die zahlreichen Beobachtungen des Zeitraumes 24.10-5-12.1932 werden die Eigentümlichkeiten dieser Strömungen eingehend erläutert und damit gezeigt, dass durch die Ablenkung derselben nach Nord oder Süd (für Nachgiebung der Fronten zwischen den O- und W-Strömungen und nachfolgende Senkung der Luftmassen) die Grosswetterlage in tropischen und auch in mittl. Breiten gesteuert und abgeändert wird. Die wenigen Beobachtungen weiche die Stratosphäre erreicht haben, lassen in der Höhe von etwa 30 km die Existenz einer Strömung wahrnehmen von fast gleicher Intensität wie der Krakatauwind, aber von entgegengesetzter Richtung (W). — Die besprochenen Ergebnisse zeigen ausserdem, dass das Bestehen der Ostströmungen in der unteren äquatoriellen Stratosphäre nicht allgemein gilt und dass auch dort die Tropopause nicht mit dem Maximum der Windgeschwindigkeit gekennezeichnet ist.

     

Electrical conductivity and potential gradient measurements in the free atmosphere over India

Summary Results of measurements of atmospheric electrical potential gradient and conductivity in the free atmosphere using balloon borne radiosondes made at a few stations in India are presented. The potential gradient generally decreases exponentially with height above the exchange layer and the electrical conductivity profiles show corresponding mirror image symmetry. Large variations of electrical potential gradient and conductivity are, however, observed in the troposphere closely associated with clouds, dust and haze and other local meteorological phenomena and space charge effects. Significant though small variations are also observed in the stratosphere, which appear to be associated with the existence of aerosol layers.From an analysis of integrated potential profiles the total atmospheric potential has been calculated and found to have a mean value of 300 kV; the ionospheric potential varies diurnally and seasonally about the mean.

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Zusammenfassung Messungen der luftlelektrischen Leitfähigkeit und des atmosphärischen Potentialgradienten werden berichtet, welche mit ballongetragenen Radiosonden in der freien Atmosphäre über Indien ausgeführt worden sind. Oberhalb der Austauschschicht vermindert sich das Potentialgefälle exponentiell mit der Höhe, während die Leitfähigkeitsprofile das dazu spiegelbildliche Bild zeigen. In der Troposphäre werden jedoch grosse Änderungen des Potentialgefälles und der Leitfähigkeit im Zusammenhang mit Wolken, Dunst, Staub und mit anderen meteorologischen Erscheinungen und mit Raumladungseffekten beobachtet. Auch in der Stratosphäre werden signifikante, wenn auch kleine Änderungen beobachtet, welche mit der Existenz von Aerosolschichten zusammen zu hängen scheinen.Das gesamte atmosphärische Potential wurde aus den integrierten Potential-gefällekurven berechnet zu 300 kV als Mittel gefunden; dieses Ionosphärenpotential zeigt Veränderungen um diesen Mittel in Form von Tagesgängen und Jahresgängen.

     

Über die Installation einer Apparatur für die Analyse des atmosphärischen Kohlensäuregehalts

Zusammenfassung Die im vorläufigen Bericht beschriebene Anlage für die Analyse von atmosphärischem CO₂-Gehalt wurde vervollständigt. Es können nunmehr kontinuierliche Analysen sowie Einzelanalysen mit Gaspipetten ausgeführt werden. Die Arbeitsweise wird beschrieben und einige Resultate werden mitgeteilt. Es kann mit einer Messgenauigkeit von ±0.3 ppm gerechnet werden.

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Summary The second and the third part of the installation of the equipment for measuring the CO₂ content in the atmospheric air has been accomplished. It is now possible to make continuous local air analysis, and of samples collected in pipettes. The procedure is described and a few results reported. The measurement accuracy lies to within ±0.3 ppm.

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Riassunto Sono state completate la seconda e la terza parte dell'apparecchiatura per la misura del CO₂ atmosferico. Esse permettono l'analisi continua dell'aria locale e l'analisi di campioni raccolti in pipette; di queste si riporta un esempio. La precisione della misura è di ±0.3 ppm.

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Meteorologisches Institut der Universität Stockholm. Contribution No. 164.     

Höhenwinde auf dem Seeweg Kapverdenregion — La Plata

Zusammenfassung Durch die Deutsche Atlantische Expedition auf «Meteor» 1925–27 und das maritim-aerologische Werk der Deutschen Seewarte wurden zahlreiche Höhenwindmessungen auf dem Atlantischen Ozean gewonnen. Die Bearbeitung dieses Materials, für das Gebiet südlich von 20° Nordbreite und die Messungen bis 1937, geschieht im Rahmen des Meteorwerkes, in Band XVI als Fortsetzung von Band XV-Kriegsereignisse und Schwierigkeiten der Nachkriegszeit haben die Veröffentlichung leider stark verzögert. Für die vorliegende Mitteilung werden einige Teilergebnisse ausgewählt, die sich auf den Seeweg nach Südamerika beziehen; als Beitrag zur Gewinnung erforderlicher quantitativer Daten über die allgemeine Zirkulation.Für die Höhenstufen 4–5, 9–10 und 14–15 km werden die mittleren Windelemente und die Streuung der Windgeschwindigkeiten behandelt. Es wird die Schichtung der Luftströmungen im Vertikalprofil des Seeweges für 0–15 km Höhe gegeben. Auf die Struktur des Urpassates (der tropischen Ostströmung) und der tropischen Westwindschicht der hohen Troposphäre in den verschiedenen Jahreszeiten wird näher eingegangen.

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Summary By the German Atlantic Expedition on the «Meteor», 1925–1927, and the marine-aerological work of the Deutsche Seewarte numerous upper air wind measurements were gained from the Atlantic. The evaluation of this material for the area in the south of 20° northern latitude and of the measurements up to 1937 is done within the scale of the «Meteorwerk», vol. XVI as a continuation of vol. XV. In consequence of war events and the difficulties of the time after the war the publication has been delayed considerably. For the information on hand, some partial results are selected which refer to the route to South America; as a contribution for gaining necessaryquantitative data on the general circulation.For the levels 4–5, 9–10, and 14–15 km the average wind elements and the dispersion of the wind velocities are treated. The stratification of air currents in the vertical profile of the route is given for the height of 0–15 km. It is entered into particulars of the structure of the «Urpassat» (tropical easterlies), and the tropical West-wind layer of the upper troposphere in various seasons.

     

Neue Beiträge zum Aeroklima Nordamerikas

Zusammenfassung In Fortführung früherer analoger Untersuchungen über die USA behandelt die vorstehende Arbeit unter Benutzung der seither hinzugekommenen Beobachtungen (namentlich von Radiosonden-Aufstiegen) die durchschnittlichen raum-zeitlichen Temperaturverhältnisse über dem nordamerikanischen Erdteil bis über 20 km Höhe. Die Einflüsse der drei geographischen Koordinaten: Breite, Länge, Höhe und des Zeitfaktors werden schrittweise herausgearbeitet, die sich daraus ergebenden Folgen für die mittleren Druck- und Bewegungsbedingungen abgeleitet und interpretiert. Auf diese Weise lassen sich insbesondere auch die Wirkungen der Temperaturverteilung auf die planetarische, die monsunale und die relativ noch wenig erforschte Komponente der interhemisphärischen Zirkulation in Tropo- und Stratosphäre, sowie die raum-zeitlichen Änderungen ihrer Trennungsfläche, der Tropopause, nachweisen.Die Arbeit ist im ganzen gedacht als ein weiterer Beitrag zur systematischen Entwicklung einer weltweiten Klimatologie des freien Luftmeeres, die das notwendige empirische Fundament für alle theoretischen Eröterungen des allgemeinen atmosphärischen Kreislaufs nach der dritten Dimension ausbauen soll.

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Summary In continuing former studies about the USA and in employing the recent observations—especially the ascents of radio-sounds—this investigation treats the average thermical conditions over the North-American continent in dependance from time and space till a height of about 20 km. The influences of the three geographical coordinates, i. e. latitude, longitude and height, and of the factor of time are developed gradually. The resulting consequences concerning the average conditions of pressure and air moving are derived and interpreted. In this manner one particularly succeeds in proving the effects of the distribution of the temperature on the planetary wind circulation, its modifications by the monsoon tendency and the component of the interhemispherical air circulation in the troposphere and in the stratosphere; a problem that has been explored relatively seldom till now. Furthermore the variations of the tropopause in time and space are shown.The study being a further contribution to a systematical development of a world-wide climatology of the free atmosphere will help to enlarge the necessary empirical foundation for all the theoretical speculations of the general circulation in the third dimension.

     

Die Schichtung der Troposphäre über dem Tropischen Ostafrika

Zusammenfassung Dem gleichförmigen Klima der Tropen entspricht ein gleichförmiger Aufbau der unteren Troposphäre. Demnach sind hier für ganze Jahreszeiten ziemlich einheitliche Typen der Grundschicht nachzuweisen. Aerologische Beobachtungen im tropischen Ostafrika weisen auf eine Höhenlage der Peplopause von 3–4 km in der Trockenzeit hin. Die tägliche Schwankung ist gering. Die Tageswinde an der Ostküste des Victoriasees nehmen nur einen Teil der Grundschicht ein. In der äquatorialen Küstenzone ist eine Höhenlage der Peplopause bei 2 bis 21/2 km Höhe zu erwarten, im Bereiche des SE-Passates sinkt sie auf 1200–1400 m ab. Ähnliche Lagen der Peplopause gelten für die Somaliküste.

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Summary Conformably to the uniformity of the tropics there exist in the lower troposphere uniform structural conditions. Therefore, nearly continuous types of ground layer are found to prevail throughout whole seasons. Upper air observations in the tropical parts of East Africa indicate that during the dry season the peplopause will occur at a level of 3 to 4 kms. Interdiurnal variability is slight. The day winds over the east coast of Victoria occupy only part of the ground layer. It is to be anticipated that in the equatorial coast zone the peplopause will occur at a level of 3 to 21/2 kms, and that in the region of the SE trade winds it will gradually subside to 1200 to 1400 meters. Similar conditions exist for the peplopause over the Somali Coast.

     

Über Vertikalbewegung in der Unteren Troposphäre

Zusammenfassung Mittels der Differentialgleichungen für den Rotor und die Divergenz horizontaler turbulenter Luftbewegung und der Kontinuitätsgleichung wird näherungsweise die Vertikalbewegung in Abhängigkeit von den Druckänderungen bestimmt, deren zeitliche Variation als vertikal abnehmende periodische Schwankung (unter Berücksichtigung verschiedener Frequenzen ) angenommen wird. In allen durchgerechneten Fällen hängt die Vertikalgeschwindigkeit der Troposphäre in hohem (mit variierendem) Masse von der Reibung ab. Bei vielen, insbesondere den kleineren Frequenzen vorkommender Grösse besteht die Vertikalbewegung der unteren Troposphäre überwiegend aus dem Teil, der ohne Turbulenzreibung nicht entstehen würde. Auf diesem Wege kann die Bodenreibung die Vertikalbewegung und mittels dieser die Luftströmungen und Druckänderungen in allen Höhen massgeblich beeinflussen.

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Summary By means of the differential equations of curl and divergence of horizontal turbulent motion of air and the equation of continuity an approaching vertical motion is determined in dependance of pressure changes the temporal variation of which is supposed as a vertically decreasing oscillation (with regard to different frequencies ). In all calculated cases the vertical motion of the troposphere is modified by friction in a high degree (varying with ). With many, especially the smaller frequencies of realized magnitude vertical velocity of the lower troposphere consists prevailingly of that part which would not arise without additional stress components of turbulent motion. In this way friction at the earth's surface is able to influence essentially the vertical motion and by it the air currents and pressure changes in all levels.

     

Ionisations-Neutralisationsbilanz in derE-Schicht nach Angaben von der totalen Sonnenfinsternis am 15. Februar 1961

Zusammenfassung Es werden die Grundgleichungen der Ionisations-Neutralisationsbilanz in derE-Schicht präzisiert und auf die Notwendigkeit der Berücksichtigung des Einflusses der lokalen ionisierenden Strahlungsquellen auf der Sonnenscheibe, der dynamischen ionosphärischen Vorgängen und der Veränderungen des äquivalenten Rekombinationskoeffizienten hingewiesen. Ferner wird eine Methodik zur Bestimmung der charakteristischen Grössen der Ionisations-Rekombinationsbilanz (q _0m ,q _d, ) dargelegt. Zu dem Zweck werden die Messergebnisse aus der Periode der Sonnenfinsternis von zwei unweit voneinander gelegenen Ionosphärenstationen verwendet. Die Methodik wird auf die während der totalen Sonnenfinsternis am 15. Februar 1961 auf den Ionosphärenstationen in Sofia und Nesebar erhaltenen Ergebnisse angewandt. Für den Rekombinationskoeffizienten werden Werte zwischen 0,63·10^–7 cm³sec^–1 und 2,32·10^–7 cm³sec^–1 und für die Elektronenproduktion unter dem Einfluss der ionisierenden Strahlung von der homogenen Sonnenscheibeq _0m 1700 cm^–3sec^–1 erhalten.

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Summary The basic equations for the ionisation-neutralisation balance in theE layer have been shown the necessity to take in account the influence of the local ionisation sources on the disk of the sun, the dynamic ionospheric processes and the variations in the equivalent recombination coefficient. The method for determining the characteristic quantities of the ionisation-recombination balance (q _0m ,q _d, ) has been exhibited for this purpose are used measurement data from two ionospheric stations located not far from each other, in the period of the solar eclips on 15 February, 1961. The quantity of the recombination coefficient lay between 0.63×10^–7 sec^–1 cm³ and 2.32×10^–7 sec^–1 cm³; the electron production under the action of the ionising radiation of the homogen disk showsq _0m 1700 sec^–1 cm^–3.

     

Thermomagnetic analysis of magnetite parts of serpentinite samples and results of other investigations

Summary The normal type of serpentinites consists of chrysotile. The magnetite parts are essential parts of the structure of chrysotile serpentinites (primary magnetite). Chrysotile is changed to antigorite by mechanical deformations. The magnetite parts of rock structure are lost and they sat down in the veins of serpentinite rocks (secondary magnetite). In this paper the thermomagnetic diagrams and the results of X-ray investigations of secondary and primary magnetite are described. Some results of susceptibility measurements are given. The secondary magnetite is characterized by a region of oxydation in the interval 280–400° C (secondary magnetite-Fe₂O₃-Fe₂O₃). The oxydation to -Fe₂O₃ is remarkably. On the thermomagnetic diagrams of primary magnetite no typical oxydation region is to be seen. The oxydation: primary magnetite-Fe₂O₃ is very small. The interval of measured susceptibility values amounts to (10–1500)·10^–6 cgs units. The essential variability of the main parts of serpentinite samples is characterized by the great changes of susceptibility values from point to point.The determined values of specific saturation magnetization (Gauss. cm³ g^–1), the X-ray powder data, and some results on remanent magnetization are given.

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Zusammenfassung Die Normaltypserpentinite bestehen aus Chrysotil. Der Magnetit ist Bestandteil der Struktur der Chrysotilserpentinite (primärer Magnetit). Unter dem Einfluß mechanischer Deformationen geht Chrysotil in Antigorit über. Die Magnetitanteile der Gesteinsstruktur gehen verloren und scheiden sich auf Klüften ab (sekundärer Magnetit). In der vorliegenden Arbeit werden die thermomagnetischen Abhängigkeiten und die Ergebnisse von Röntgenuntersuchungen des sekundären und primären Magnetits beschrieben. Es werden einige Ergebnisse der Suszeptibilitätsmessungen angeführt. Der sekundäre Magnetit wird durch einen Oxydationsbereich im Temperaturintervall 280–400° C charakterisiert (sekundärer Magnetit-Fe₂O₃-Fe₂O₃). Die Oxydation zu -Fe₂O₃ ist beträchtlich. Die thermomagnetischen Diagramme des primären Magnetits zeigen keinen typischen Oxydationsbereich. Die Oxydation: primärer Magnetit-Fe₂O₃ ist sehr gering. Das Intervall der gemessenen Suszeptibilitätswerte beträgt (10–1500)·10^–6 CGS-Einheiten. Die starke Veränderlichkeit der Hauptbestandteile der Serpentinitproben wird durch die großen Änderungen der Suszeptibilitätswerte von Punkt zu Punkt gekennzeichnet.Die gemessenen Werte der Sättigungsmagnetisierung (Gauss.cm³ g^–1), der Röntgenuntersuchungen und einige Ergebnisse über die remanente Magnetisierung werden gegeben.

     

Negative ions in air-like gas mixtures

Summary The nature of negative ions in an air-like gas mixture containing 300 ppm²) of carbon dioxide and 1 ppm of water has been investigated using a drift tube working at atmospheric pressure and interfaced with a quadrupole mass spectrometer. It was found that the most dominant ion under equilibrium conditions is CO₄–·(H₂O).

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Zusammenfassung Mittels einer Kombination eines Beweglichkeits-Spektrometers und eines Vierpol-Massenspektrometers, ersteres im Bereich des normalen Luftdrucks arbeitend, wurde die Natur der negativen Ionen in einer luftähnlichen Gasmischung untersucht. Die Gasmischung enthielt 300 ppm²) Kohlendioxid und 1 ppm Wasserdampf. Es wurde festgestellt, dass unter Gleichgewichts-bedingungen das vorherrschende Ion die Formel CO₄–·(H₂O) hat.

     

Geophysikalische Einflüsse auf die Länge des Sterntages

Zusammenfassung Die Änderung der Sterntaglänge schwankt im Rhythmus des Luftdruckgefälles zwischen 45 und 65° Süd sowohl im mittleren Jahresgang als auch im Ablauf der sechzig Monate der Jahre 1957–1961. Dieser überzufällige Gleichgang in Phase und Amplitude läßt sich so erklären, daß die Schwankungen der Tageslänge direkt durch den Schub oder die Bremsung der Lithosphäre, auf welche die Atmosphäre mit ihren Monsunen oder Passaten wirkt, erzeugt werden. Die den schwankenden Tropenwinden parallel gehenden außertropischen Westwinde würden voll die schiebende oder bremsende Wirkung der Tropenwinde kompensieren, wenn sie auch direkt die Lithosphäre erfaßten. Da nun aber im Gebiet der braven Westwinde die Hydrosphäre den gesamten Drehimpuls übernimmt und ihn wohl erst mit großer Verzögerung an die Lithosphäre weiterreicht, tritt die Änderung der Tageslänge auf, die sich im wesentlichen harmonisch aus einer halbjährlichen und einer jährlichen Welle zusammensetzt.

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Geophysical effects on the length of the sideral day

Summary The variations in the length of the day are found to be equal in phase to the oscillation of the atmospheric pressure gradient occurring between 45 and 65 degrees south. This rhythm manifests itself in the annual mean as well as in the course of the 60 months of the years 1957 to 1961. The rhythm that seems to be overaccidental may be explained with regard to phase and amplitude in the following way:The variations in the length of the day are produced by the pushing or braking of the lithosphere on which the atmosphere is acting by its monsoons or trade winds. The outertropical westerlies that are blowing parallel to the tropical wind would be able to compensate the pushing and braking effects if they, too, were directly acting on the lithosphere. As, however, in the region of the westerlies the hydrosphere assumes all angular momentum and apparently passes it on to the lithosphere after considerable delay, the variations in the length of the day are caused which essentially consist of the second and first harmonics.

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Effets géophysiques sur la longueur du jour sidéral

Résumé Les variations de la longueur du jour sidéral suivent le rythme du gradient de pression atmosphérique rencontré entre le 45^e et 65^e degré de latitude Sud. Elles se manifestent dans la moyenne annuelle aussi bien que dans la période des soixants mois des années de 1957 à 1961. Cette homogénéité super-aléatoire du rythme qui se montre également dans la phase et dans l'amplitude pourrait être expliquée par le fait que les variations de la longueur du jour sidéral sont directement produites par la poussée et le freinage de la lithosphère sur lequel agit l'atmosphère par ses moussons et ses vents alizés.Les vents extra-tropicaux d'ouest qui soufflent parallèlement aux vents tropicaux seraient à même de compenser les effets de la poussée et du freinage des vents tropicaux pourvu qu'ils agissent de même immédiatement sur la lithosphère. Comme, cependant, dans la région des braves vents d'ouest l'hydrosphère attire tout le moment angulaire et le passe, probablement après un long délai, au lithosphère, il se produit les variations de longueur du jour sidéral, qui se composent essentiellement d'une oscillation harmonique semestrielle et annuelle.

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Nach einem Vortrag Über Erddrehung und atmosphärische Globalzirkulation vor dem Geophysikalischen Kolloquium der Universität Hamburg am 8. Juni 1961, erweitert um die neuen Daten der Tageslänge und des Luftdruckgefälles zwischen 45° und 65° S.     

Nullschicht und Tropopause

Zusammenfassung An einer mittleren Zustandskurve der Atmosphäre wird gezeigt, daß auf Grund der Umkehr der Vertikalbewegung in der Nullschicht eine bereits vorhandene Tropopause aufgelöst werden und eine neue Tropopause entstehen kann. Die für Hoch-und Tiefdruckgebiete typischen Vertikalbewegungen ergeben die bei diesen Druckgebilden bekannten Tropopausentypen. Auch die starken vertikalen Verlagerungen der Tropopause sind so leicht erklärbar. Eine statistische Untersuchung bestätigt die theoretischen überlegungen. Die Tropopausen werden in zwei verschiedene Entstehungsarten eingeteilt, die statische und die dynamische Tropopause.

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Summary It can be shown from an average distribution of the atmospheric temperature that because of a reversal in vertical movement in a null layer of first kind, the existing tropopause can be resolved and a new one arise. The typical vertical movement for low and high pressure structures in the process of strengthening and of stationary intensity respectively, results in already known tropopause types. The strong vertical movements of the tropopause are easily explained by the action of the vertical motion on the temperature field. According to their origin it has been suggested that the tropopause be separated into two basic types:Thestatic tropopause; to this type belongs the mixed tropopause which results from radiation conditions in an atmosphere in a state of repose, and the combined tropopause which occurs when the field of mixing and the area of vertical temperature increase from the upper layer of ozone downward, meet.The second type originates because of dynamic events in the atmosphere and is thus called adynamic tropopause.

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Diese Arbeit wurde unterstützt vom US Department of the Army, European Research Office, unter Kontrakt Nr. DA-91-591-EUC-1668 OI 7330-61.     

Gegenläufiges Verhalten des Verlaufes von Druck und Temperatur in der Unteren Troposphäre

Zusammenfassung Der vertkkale Temperaturgradient hat bei ausgewahlten Stationen einen jährlichen Gang, der nicht durch den täglichen Temperaturgang erklärbar ist. Die jährliche Temperaturschwankung in Abhängigkeit von der Höhe zeigt ein gegenläufiges Verhalten zwischen den unteren und den mittleren Schichten der Troposphäre. Beide Erscheinungen weisen darauthin, dass man die Troposphäre nicht als eine Schicht von einheitlichem Aufbau ansehen kann. Die interdiurnen Anderungen von Druck und Temperatur in den einzelnen Höhenschichten und ihr gegenläufiges Verhalten zwingen dazu eine untere Schicht in der Troposphäre auszusondern, die scho gelegentlich früher beobachtet und dann als Störungsschicht bezeichnet wurde. Diese Beobachtungen sind aber einer Verallgemeinerung fähig, indem diese untere Schicht als planetarische Erscheinung aufzufassen und als Grundschicht der Atmosphäre zu kennzeichnen ist.

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Summary The vertical temperature gradient for selectet stations shows an annual variation which cannot be explained by the diurnal variation of temperature. The annual variation of temperature at fixed levels in the lower layers of atmosphere shows a trend opposite to these variations at fixed elevations in the middle layers. This fact indicates that the troposphere cannot be regarded as a layer of uniform structure. The interdiurnal variations of pressure and temperature for the individual levels and their opposite trend compel us to postulate within the troposphere a lower layer as has been observed before in various occasions and then called the layer of disturbation. It is possible to generalize these observations and to conceive of the lower layer as a planetary phenomenon and as the ground layer of the atmosphere.

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Riassunto Il gradiente termico verticale presenta una variazione annuale che non può venir spiegata con la variazione diurna della temperatura. La variazione annuale della temperatura a livelli determinati nei bassi strati dell'atmosfera rivela un andamento opposto a quello che si riscontra negli strati centrali della troposfera. I due fatti dimostrano che la tropofera non può venir considerata come uno strato avente struttura uniforme. Le variazioni interdiurne della pressione e della temperatura nei singoli strati verticali ed il loro comportamento inverso conducono all'esistenza di uno strato inferiore in seno alla troposfera, già prima occasionalmente osservato e definito strato di perturbazione. Simili osservazioni sono atte a venir generalizzate in quanto questo strato inferiore è concepibile come fenomeno planetärio e come strato base dell'atmosfera.

     

The dependence of albedo on solar elevation

Summary Highest values of measured sky polarization 90° from the sun as function of solar elevation have been compared with theoretical data of the Rayleigh atmosphere for different albedo. The conclusion is that the effective albedo of the earth surface increasing from 0.1 at 40° solar elevation to about 0.25 at 10° elevation, whereas reflection according Lamberts cosine law would result in an albedo independent of solar elevation. This result could be generally confirmed by laboratory measurements of albedo of surfaces like grass, soil, sand, etc.

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Zusammenfassung Höchste gemessene Werte der Himmelslichtpolarisation in 90° Abstand von der Sonne in Abhängigkeit von der Sonnenhöhe wurden mit theoretischen Werten der Polarisation einer Rayleigh-Atmosphäre bei verschiedener Albedo verglichen. Es ergibt sich daraus, dass die effektive Albedo der Erdoberfläche von etwa 0.1 bei 40° Sonnenhöhe auf 0.25 bei 10° Sonnenhöhe ansteigt, während Reflektion nach dem Lambertschen cos-Gesetz eine Albedo bedingen würde, die unabhängig von der Sonnenhöhe ist. Dieses Ergebnis konnte durch Labormessungen der Albedo in Abhängigkeit vom Einfallswinkel für Oberflächen aus Gras, Boden, Sand und anderem im wesentlichen bestätigt werden.

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Publication No. 82.     

Die Anlagerung von natürlichen Radionukliden an Aerosolpartikel und Niederschlagselemente in der Atmosphäre

Zusammenfassung Es wird die Anlagerung der Zerfallsprodukte des, Radons und Thorons an das atmosphärische Aerosol infolge von Diffusion und elektrostatischer Dipolanziehung diskutiert. Die berechnete Grössenverteilung, des gebildeten, radioaktiven Aerosols stimmt weitgehend mit den Ergebnissen von Diffusionsmessungen überein. Die Aktivierung von Wolken-und Niederschlagselementen erfolgt im wesentlichen durch die Anlagerung trägerfreier, frisch gebildeter RaA-Atome; nur bei langlebigen Zerfallsprodukten spielt die Koagulation mit dem radioaktiven Aerosol eine Rolle. Die Anlagerungsgeschwindigkeit von RaA und ThB an fallende Regentropfen wurde durch Modellversuche bestimmt. Hiernach ist der Auswascheffekt von Regentropfen klein gegenüber der primären Aktivierung der Wolkenelemente. Es wird ein, Verfahren zur kontinuierlichen Messung der RaB- und RaC-Aktivität im Niederschlag beschrieben; die gemessene, mittlere spezifische Aktivität von 3·10^–5 c/cm³ kann mit Hilfe der angegebenen Aktivierungsprozesse befriedigend erklärt werden.

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Summary The attach of Rn- and Tn-decay-products to the atmospheric aerosol is discussed, taking into account diffusion and electrostatic forces. The computed size distribution of the produced radioactive aerosol agrees with the results of diffusion measurements. The activation of cloud and rain droplets with short-lived decay products happens chiefly due to the diffusion of fresh, carrier-free RaA-atoms. The collection efficiency of falling rain droplets for RaA and ThB was measured in model experiments; it is small compared to the activation of cloud elements. A method for the continuous measurement of RaB- and RaC-activity during rainfall is described; the measured, mean specific activity of 3·10^–5 c/cm³ can be explained by the theory of activation processes.

     

Die Eiskeimbildung bei Temperaturen unter −30° C

Zusammenfassung An künstlich erzeugten unterkühlten Nebeln wurde die Eiskeimbildung his –85°C untersucht. Bei tiefen Temperaturen treten so hohe Eisteilchendichten auf, daß sie erst an fotografischen Aufnahmen der Eiswolken bei geeigneter Vergrösserung bestimmt werden konnten. Die von anderer Seite bei –40°C behauptete und mit homogener Keimbildung gedeutete Vervielfachung der Eisteilchenzahl konnte nicht festgestellt werden. Meistens steigt die Teilchendichte spätestens bei –30°C stark an, bleibt dann aber zwischen –40°C und –65°C praktisch konstant bei im Mittel 174 Eisteilchen pro cm³. Dieser Uebergang, der an der vollständigen Vereisung der Tröpfchenwolke direkt zu erkennen ist, findet je nach Wetterlage zwischen –40 und –50°C statt und muß somit noch durch Gefrierkerne hervorgerufen sein.Erst bei Annäherung an –70°C bilden sich in Uebereinstimmung mit früheren Ergebnissen des Verf. ausserordentlich dichte und beständige Nebel aus feinsten Eisteilchen mit. Anzeichen von homogener Bildung.

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Summary The formation of ice germs down to –85°C was investigated with artificial supercooled nebula. At low temperatures the densities of ice particles are so high that they could only be determined by photographs of the ice clouds with suitable enlargements. The multiplication of the number of ice particles which, according to assertions from another side, should take place at –40°C and which was interpreted by homogeneous formation of germs, could not be ascertained. In most cases the density of particles increases considerably at –30° at the latest, and then remains practically constant between –40 and –65°C with an average of 174 ice particles per cm³. This transition which can directly be observed at the complete icing of the cloud of droplets, takes place — according to the weather conditions —between –40 and –50°C and must, therefore, also be caused by freezing nuclei.Extremely dense and constant nebula consisting of the finest ice particles with signs of homogeneous formation are only formed with an approximation to –70°C, which is in good agreement with earlier results of the author.

     

The wave form of atmospherics

Summary The wave form of atmospherics recorded at a distance of some hundred km from the lightning stroke may be explained if the influence of propagation mechanism, excluding ionospheric reflection, is considered. The wave form results from the damping of higher frequencies, if propagation occurs about ground.

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Zusammenfassung Die Wellenform von atmosphärischen Störungen, die man in einer Entfernung von einigen hundert km vom Blitz registriert, kann erklärt werden, wenn man den Einfluss des Ausbreitungsmechanismus unter Ausschluss der Ionosphäre betrachtet. Die atmosphärische Störung verdankt ihre Form der frequenzabhängigen Ausbreitung entlang der Erdoberfläche, wobei die Dämpfung für hohe Frequenzen grösser ist als für niedere.

     

On the determination of the diffusion coefficient of condensation nuclei using the static and dynamic methods

Summary It was intended to carry out a detailed comparison between the values of the diffusion coefficient of condensation nuclei obtained by the static method and the corresponding values deduced from measurements by the dynamic method.In order to increase the accuracy of the diffusion coefficient as determined by the static method, using as decay vessel the fog tube of a photo-electric counter, it was necessary to develop a new version with an air column diameter smaller than that previously employed. Calibration curves for counters with fog tubes of 1.1, 1.9 and 2.5 cm diameter together with that for the standard of 3.85 cm are given.Fürth's theory of the static method was experimentally verified and shown to be consistent in itself.With regard to the dynamic method, the effect of varying the air-flow on the results obtained with the diffusion box was investigated and a marked influence on the value of the diffusion coefficient usingGormley's formula found. A regular and systematic increase of the diffusion coefficient with increase of air-flow, apparently overlooked up to now, was discovered. Within the range of 1 to 4 litres/min air-flow a change by 1 litre/min alters the diffusion coefficient by about 12%. Since for technical reasons during one experiment, adjustment of the air-flow by two litres/min were not uncommon hitherto, the diffusion coefficient determined in this way may be wrong by 25 % of its value for this reason alone. The influence of humidity on the diffusion coefficient determined with the diffusion box was also studied. It was found that the reduction of the diffusion coefficient due to increase in relative humidity from 53 % to 84 % amounts in the average and over a very wide range of diffusion coefficients to about 10 %.The comparison of the diffusion coefficients determined by the static and dynamic methods gave the following results: The diffusion coefficient of large hot nichrome wire nuclei (D 10 · 10^–6 cm²/sec) determined by the static method is approximately one third of that obtained when the dynamic method with an air-flow of 1 litre/min is used. With decreasing size of nuclei the diffusion coefficients measured by the two methods approach each other.It is suggested that the observed discrepancies are due to a thin boundary layer which at the start of the diffusion process is almost free of nuclei. The theory of the static method is accordingly modified and a new formula for the calculation ofD is derived which leads to agreement between the static and the dynamic determinations ofD when it is assumed that the boundary layer has a thickness of about 1.5 mm.

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Zusammenfassung Es war beabsichtigt, eine detailierte Vergleichung der mittels der statischen und dynamischen Methode gemessenen Diffusionskoeffizienten von Kondensationskernen durchzuführen.Um die Genauigkeit der mit der statischen Methode ermittelten Diffusionskoeffizienten, wenn das Nebelrohr des photoelektrischen Kernzählers als Kernspeicher benützt wird, zu erhöhen, war es notwendig ein neues Modell mit einer zylindrischen Nebelkammer von kleinerem Durchmesser, als bisher verwendet, zu entwickeln. Es werden Eichkurven für Zähler mit Nebelrohren von 1.1, 1.9 und 2.5 cm Durchmesser zusammen mit der Eichkurve für den Standard-Kernzähler von 3.85 cm Durchmesser gegeben.Fürth's Theorie der statischen Methode wurde experimentell verifiziert und als in sich selbst verträglich bewiesen.Es wurde ferner der Effekt der änderung des Luftstromes durch den Diffusions-apparat auf die mit der dynamischen Methode bestimmten Diffusionskoeffizienten untersucht, und ein bemerkenswerter Einfluss der Luftstromgeschwindigkeit auf die Grösse des Diffusionskoeffizienten entdeckt, wennGormley's Formel der Auswertung zu Grunde gelegt wird. Ein regelmässiges und systematisches Anwachsen des Diffusionskoeffizienten mit Zunahme der Luftströmung — offenbar bis jetzt übersehen — wurde festgestellt. Für Luftströmungen zwischen 1 und 4 Liter/Min bewirkt eine änderung der Luftströmung um 1 Liter/Min eine änderung des Diffusionskoeffizienten um etwa 12%. Da bisher aus technischen Gründen eine Regulierung des Luftstromes um 2 Liter/Min während eines und desselben Experiments nichts Ungewöhnliches war, so kann deshalb allein der so bestimmte Diffusionskoeffizient um 25 % seines Wertes unrichtig sein. — Auch der Einfluss der Feuchtigkeit auf den mit dem Diffusionsapparat ermittelten Diffusionskoeffizienten wurde geprüft. Es wurde festgestellt, dass die Reduktion des Diffusionskoeffizienten als Folge einer Erhöhung der relativen Feuchtigkeit von 53 auf 84 % im Durchschnitt und für Diffusionskoeffizienten bis zu 500. 10^–6 cm²/sec etwa 10 % beträgt.Die Vergleichung der mittels der statischen und dynamischen Methode gemessenen Diffusionskoeffizienten ergab das folgende Resultat: Der Diffusionskoeffizient grosser,. durch elektrisches Glühen eines Drahtes erzeugten Kondensationskerne (D 10. 10^–6 cm²/sec), wenn mit der statischen Methode bestimmt, ist ungefähr ein Drittel jenes mittels der dynamischen Methode gemessenen Wertes bei einem Luftstrom von 1 Liter/Min durch den Diffusionsapparat. Mit abnehmender Grösse der Kondensationskerne nähern sich die Werte der nach den beiden Methoden bestimmten Diffusionskoeffizienten.Es wird versucht, die beobachteten Unstimmigkeiten durch die Annahme einer dünnen Wandschicht zu erklären, die zu Beginn des Diffusionsprozesses beinahe frei. von Kernen ist. Die Theorie der statischen Methode wurde dementsprechend abgeändert und eine neue Formel für die Berechnung vonD abgeleitet, die zu einer Uebereinstimmung zwischen den statischen und dynamischen Bestimmungen vonD führt, wenn angenommen wird, dass die Wandschicht eine Dicke von ungefähr 1.5 mm hat.